El hidrógeno metálico denso, una fase del hidrógeno que se comporta como un conductor eléctrico, constituye el interior de los planetas gigantes, pero es difícil de estudiar y poco entendido. Combinando inteligencia artificial y mecánica cuántica, Los investigadores han descubierto cómo el hidrógeno se convierte en un metal en las condiciones de extrema presión de estos planetas.

Los investigadores, de la Universidad de Cambridge, IBM Research y EPFL, utilizó el aprendizaje automático para imitar las interacciones entre los átomos de hidrógeno con el fin de superar las limitaciones de tamaño y escala de tiempo de incluso las supercomputadoras más potentes. Descubrieron que en lugar de suceder de repente, o de primer orden, transición, el hidrógeno cambia de forma suave y gradual. Los resultados se informan en la revista. Naturaleza .

Hidrógeno, que consta de un protón y un electrón, es el elemento más simple y abundante del Universo. Es el componente dominante del interior de los planetas gigantes de nuestro sistema solar:Júpiter, Saturno, Urano, y Neptuno, así como exoplanetas que orbitan otras estrellas.

En las superficies de planetas gigantes, el hidrógeno sigue siendo un gas molecular. Sin embargo, profundizando en el interior de los planetas gigantes, la presión excede millones de atmósferas estándar. Bajo esta extrema compresión, el hidrógeno sufre una transición de fase:los enlaces covalentes dentro de las moléculas de hidrógeno se rompen, y el gas se convierte en un metal conductor de electricidad.

"La existencia de hidrógeno metálico se teorizó hace un siglo, pero lo que no sabemos es cómo ocurre este proceso, debido a las dificultades para recrear las condiciones de extrema presión del interior de un planeta gigante en un entorno de laboratorio, y la enorme complejidad de predecir el comportamiento de grandes sistemas de hidrógeno, ", dijo el autor principal, el Dr. Bingqing Cheng, del Laboratorio Cavendish de Cambridge.

Los experimentales han intentado investigar el hidrógeno denso utilizando una celda de yunque de diamante, en el que dos diamantes aplican alta presión a una muestra confinada. Aunque el diamante es la sustancia más dura de la Tierra, el dispositivo fallará bajo presión extrema y altas temperaturas, especialmente cuando está en contacto con hidrógeno, contrario a la afirmación de que un diamante es para siempre. Esto hace que los experimentos sean tanto difíciles como costosos.

Los estudios teóricos también son un desafío:aunque el movimiento de los átomos de hidrógeno se puede resolver usando ecuaciones basadas en la mecánica cuántica, la potencia computacional necesaria para calcular el comportamiento de sistemas con más de unos pocos miles de átomos durante más de unos pocos nanosegundos supera la capacidad de las supercomputadoras más grandes y rápidas del mundo.

Se asume comúnmente que la transición del hidrógeno denso es de primer orden, que se acompaña de cambios bruscos en todas las propiedades físicas. Un ejemplo común de una transición de fase de primer orden es el agua hirviendo líquida:una vez que el líquido se convierte en vapor, su apariencia y comportamiento cambian por completo a pesar de que la temperatura y la presión siguen siendo las mismas.

En el estudio teórico actual, Cheng y sus colegas utilizaron el aprendizaje automático para imitar las interacciones entre los átomos de hidrógeno, para superar las limitaciones de los cálculos mecánicos cuánticos directos.

"Llegamos a una conclusión sorprendente y encontramos evidencia de una transición continua molecular a atómica en el denso fluido de hidrógeno, en lugar de uno de primer orden, "dijo Cheng, quien también es investigador junior en Trinity College.

La transición es suave porque el "punto crítico" asociado está oculto. Los puntos críticos son omnipresentes en todas las transiciones de fase entre fluidos:todas las sustancias que pueden existir en dos fases tienen puntos críticos. Un sistema con un punto crítico expuesto, como el de vapor y agua líquida, tiene fases claramente diferenciadas. Sin embargo, el fluido de hidrógeno denso, con el punto crítico oculto, puede transformarse gradual y continuamente entre las fases molecular y atómica. Es más, este punto crítico oculto también induce otros fenómenos inusuales, incluyendo los máximos de densidad y capacidad calorífica.

El hallazgo sobre la transición continua proporciona una nueva forma de interpretar el cuerpo contradictorio de experimentos sobre hidrógeno denso. También implica una transición suave entre capas aislantes y metálicas en planetas gigantes de gas. El estudio no sería posible sin combinar el aprendizaje automático, mecánica cuántica, y mecánica estadística. Sin ninguna duda, este enfoque revelará más conocimientos físicos sobre los sistemas de hidrógeno en el futuro. Como siguiente paso, los investigadores tienen como objetivo responder a las muchas preguntas abiertas sobre el diagrama de fase sólida del hidrógeno denso.